地中熱処理中の石炭の細孔構造の進化：実験的調査

気候問題を気候対策へと転換する石炭

石炭は通常、気候変動の主要な原因と見なされますが、本研究は採掘されていない深部の石炭層をよりクリーンなエネルギー源かつ二酸化炭素（CO2）の長期的な貯蔵場所に変える方法を探ります。地上で燃やすのではなく、地下で穏やかに加熱することで有用な燃料を生産しつつ、炭素に富むスポンジ状の残留物を残してCO2を安全に閉じ込める可能性があります。本研究は単純だが重要な問いを扱います：石炭をその場で加熱すると内部の「細孔」構造はどう変化し、加熱後にどの程度CO2を貯蔵できるのか？

採掘せずに石炭を加熱する

この手法は地中石炭熱処理と呼ばれ、酸素を遮断した環境で最大600°Cまで石炭層をゆっくりと温めます。石炭を掘り出す代わりに、技術者は井戸を通じて熱を注入し、放出されるガスや液体を回収し、処理後の同じ層にCO2を注入して再利用します。残留固体、すなわち熱分解チャーは、さまざまなサイズの細孔を持つ硬質の炭素基スポンジのように振る舞います。これらの細孔は加熱中にどれだけの燃料が得られるか、また加熱後にどれだけのCO2を保持できるかを決めるため、その変化を理解することが安全で低炭素なプロセス設計の核心となります。

石炭の隠れた迷路を覗く

この隠れた細孔ネットワークを観察するために、著者らは内モンゴル産の低位炭を取り、30°Cから600°Cまでの8つの目標温度に非常にゆっくり加熱した試料をヘリウム雰囲気下で処理しました。ついで三つの補完的な実験手法を用いました：最も小さな細孔（直径2ナノメートル未満）を調べるCO2吸着、中くらいの細孔を特徴づける窒素吸着、そしてより大きな細孔や亀裂をマッピングする水銀圧入。これらを組み合わせることで、全細孔容積、内部表面積、細孔ネットワークの複雑さが加熱段階に応じてどう変化するかを追跡できました。

縮む空間から膨らむスポンジへ

結果は、石炭が加熱されると単純に「開く」のではなく、内部空間が明確な段階を経ることを示しています。最初に、室温から約350°Cへ温度が上がると、全体の細孔容積は実際には減少する一方で、内部表面積はわずかに増加します。初期加熱で生成される液体が大きな細孔に浸透して部分的に詰まり、一方で小さな新しい細孔が少数出現するためです。おおよそ350°Cから450°Cの間でこの傾向は逆転します：ガスや分解した液体が抜け出し、新しい空隙が生じて大小両方の細孔が拡大します。約450°C以上、特に600°Cでは、最も小さな細孔が多数発達するとともに大きな細孔も再び増え、全体の容積と表面積が著しく増加し、細孔ネットワークの連結性が高まります。

石炭変化の三つの主要段階

これらの測定値を石炭の成熟度を示す標準指標と結びつけることで、研究者らは地中加熱プロセスに三つの段階があることを特定しました。第1段階（低成熟度）では、中〜大きな細孔が液体で満たされるため空間が失われます。第2段階（中成熟度）では、有機物の急速な分解とガス放出が新しい通路を切り開き、細孔容積と連結性が急増します。最終の高成熟度のガス生成段階では、継続的なガス放出と構造の再配置が小さな細孔の高密度な形成と大きな細孔の拡大を同時に生み出します。小さな細孔はCO2分子が付着する内部表面積の大部分を提供し、大きな細孔はCO2が岩盤内に移動するための高速道路の役割を果たします。

地中での炭素貯留にとっての意義

日常的な言葉で言えば、慎重な地中加熱は比較的コンパクトな石炭片をより入り組んだ多層のスポンジに変えます。本研究は、試験した温度範囲のうち高めの処理温度で運用すると、CO2を保持できる微視的な隙間の数が大幅に増え、ガスが層内に広がる経路が改善されることを示しています。この組み合わせにより、地中石炭熱処理は有用な燃料を供給すると同時に、長期的にCO2を貯留できる地下のフィルターを残すことが可能となり、石炭を純粋な気候負担からより広い炭素管理戦略の一部へと位置づける助けとなるでしょう。

引用: Yang, S., Li, S., Hou, W. et al. Evolution of pore structure in coal during underground thermal treatment: an experimental investigation. Sci Rep 16, 7424 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38256-6

キーワード: 地中石炭熱処理, CO2貯留, 石炭の細孔, クリーンコール技術, 炭素隔離